Novos métodos de preparação para trocadores de calor revestidos em aplicações de refrigeração por adsorção e bombas de calor

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8004 (2022) Citar este artigo

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Os sistemas de refrigeração por adsorção e as bombas de calor ainda possuem uma quota de mercado relativamente reduzida em comparação com os sistemas de compressão tradicionais. Apesar de terem a grande vantagem de serem alimentados por calor barato (em vez de trabalho eléctrico dispendioso), a implementação de sistemas baseados em princípios de adsorção permanece limitada a poucas aplicações específicas. A principal desvantagem que precisa ser resolvida é o seu reduzido poder específico devido à baixa condutividade térmica e baixa estabilidade dos adsorventes. O atual estado da arte dos sistemas comerciais de resfriamento por adsorção depende de adsorvedores baseados em trocadores de calor com aletas revestidas para otimizar o poder de resfriamento. É um resultado bem conhecido que a redução da espessura do revestimento resulta numa redução da impedância de transporte de massa e que o incremento da relação superfície/volume das estruturas condutoras aumenta a potência sem reduzir a eficiência. As fibras metálicas utilizadas neste trabalho podem oferecer uma proporção de superfície específica na faixa de 2.500 a 50.000 m2/m3. Três métodos de preparação de revestimentos de hidrato de sal muito finos, mas estáveis, em superfícies metálicas, incluindo fibras metálicas, para a produção de revestimentos trocadores de calor com alta potência específica são apresentados pela primeira vez. Foi escolhido um tratamento de superfície baseado em anodização de alumínio para criar uma ligação mais forte entre o revestimento e o substrato. A estrutura microscópica da superfície resultante foi analisada por Microscopia Eletrônica de Varredura. Para verificar a presença das espécies desejadas, espectroscopia de raios X por dispersão de energia e infravermelho transformado por Fourier foram empregadas na análise. Sua capacidade de formar hidratos foi verificada via Análise Termogravimétrica (TGA)/Termogravimetria Diferencial (DTG) simultâneas. Mais de uma diferença de massa de 0,07 g(água)/g(compósito) foi detectada no revestimento de MgSO4, que apresentou sinais de desidratação em temperaturas em torno de 60 °C, e repetibilidade após reidratação. Também foram obtidos resultados positivos com SrCl2 e ZnSO4 com diferenças de massa em torno de 0,02 g/g abaixo de 100 °C. A Hidroxietilcelulose foi escolhida como aditivo para aumentar a estabilidade e aderência dos revestimentos. As propriedades de adsorção do produto foram avaliadas com TGA-DTG simultâneo, enquanto sua aderência foi caracterizada por meio de procedimento baseado no teste descrito na ISO2409. Os revestimentos de CaCl2 apresentaram consistência e aderência muito melhoradas, mantendo sua capacidade de adsorção, apresentando diferenças de massa em torno de 0,1 g/g em temperaturas abaixo de 100 °C. Além disso, o MgSO4 mantém a capacidade de formar hidratos, apresentando uma diferença de massa superior a 0,04 g/g abaixo de 100 °C. Finalmente, fibras metálicas revestidas foram investigadas. Os resultados mostram que a condutividade térmica efetiva de uma estrutura de fibra revestida com Al2(SO4)3 pode ser até 4,7 vezes maior em comparação com um bloco de Al2(SO4)3 puro. A cobertura dos revestimentos buscados foi investigada visualmente e a estrutura interna foi avaliada por imagens microscópicas de seções transversais. Foram gerados revestimentos de cerca de 50 µm de Al2(SO4)3, mas em geral o processo requer otimização para alcançar uma distribuição mais uniforme.

Os sistemas de adsorção têm chamado muita atenção nas últimas décadas porque representam uma alternativa ecologicamente correta às tradicionais bombas de calor de compressão ou sistemas de refrigeração. Com o aumento dos padrões de conforto e das temperaturas médias globais, os sistemas de adsorção têm o potencial de reduzir a dependência dos combustíveis fósseis num futuro próximo. Além disso, qualquer melhoria nos domínios da refrigeração por adsorção ou das bombas de calor pode ser transferida para o domínio do armazenamento de energia térmica, o que constitui um incremento adicional na capacidade de utilização eficiente da energia primária. A principal vantagem das bombas de calor de adsorção e dos sistemas de refrigeração é que podem ser processados ​​por calor de baixa qualidade. Isso os torna adequados para fontes de baixa temperatura, como energia solar ou calor residual. Em relação às aplicações de armazenamento de energia, a adsorção possui as vantagens de sua maior densidade de energia e menor dissipação de energia para aplicações de longo prazo em comparação ao armazenamento de calor sensível ou latente.